Live 2D polarisationsaufgelöste Bildgebung (Live2DPOLIM) - eine Bildgebungsmethode zur Untersuchung nanoskaliger Proteinaggregation und (Re-)Organisation von Makromolekülen in lebenden Zellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Polarisationsaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie bietet Informationen zur makromolekularen Organisation in Zellen. Das hier entwickelte Setup für zweidimensionalpolarisationsaufgelöste Fluoreszenzbildgebung (2DPOLIM) kombiniert eine schnelle Polarisationsmodulation im Millisekundenbereich in der Anregung7 mit einer polarisationsaufgelösten 4-Kanal-Detektion. 2DPOLIM ergänzt die Einzelmoleküllokalisierungsmikroskopie (SMLM), mit bis zu mm-großen Übersichtsbildern zur makromolekularen Organisation im Nanometerbereich. Unsere Anwendung auf fluoreszenzmarkierte Hepatozyten, Fibroblasten und F-Aktin-Einzelfasern zeigt Variationen in der F-Aktin-Organisation in Zellen. Durch die Pandemie verzögerte sich die Anwendung auf lebende Zellen. Sie wird innerhalb des kommenden Jahres erwartet. Zur Evaluation der experimentellen Ergebnisse an F-Aktin-Einzelfasern modellierten wir die 2DPOLIM-Ergebnisse an solchen Fasern, wofür wir eine existierende Modellierung für koexprimiertes grün fluoreszierendes Protein (GFP) anpassten. An Phalloidin gebundene Farbstoffmoleküle können eine statistische Bewegung ausführen, die Schwankungen in der Polarisation der Emission verursacht. Um den Einfluss dieser Bewegung auf die experimentellen Ergebnisse zu untersuchen, wurde eine molekulardynamische (MD) Simulation zu drei solcher Farbkomplexe für F-Aktin entwickelt. Zusätzlich implementierten wir eine Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung (FLIM) zur Untersuchung der makromolekularen Organisation in unserem Labor. Die Anwendung von FLIM auf mit fluoreszenzmarkierte Krebszellen zeigt erhöhte Fluoreszenzlebensdauern für kortikales F-Aktin im Vergleich zu solchen für zytoskelettale Aktinfilamente. Gemeinsam mit unseren Mitarbeitern am UKJ wurde eine umfassendere Studie begonnen, die auch für die Bildgebung an lebenden Zellen geeignete Fluoreszenzmarkierungen umfasst. Wie vorgeschlagen, ergänzten wir unsere Forschung zur makromolekularen Organisation durch den Einsatz neuer, hochauflösender nanoskaliger Infrarot-(IR)-spektroskopischer Bildgebungstechniken, welche IR-Beleuchtung mit mechanischer Detektion durch Rasterkraftmikroskopie (IR-AFM) kombinieren. Mithilfe photoinduzierter Kraftmikroskopie im mittleren Infrarotbereich (IR-PiFM oder PiF-IR) demonstrierten wir eine submolekulare spektrale Auflösung in PiF-IR-Hyperspektren von F-Aktin mit bisher unerreichter räumlicher Auflösung von ≈ 5 nm. Weitere Ergebnisse wurden an Makromolekülen, Zellen und Zellorganellen erzielt. IR-AFM-Methoden ermöglichen eine orientierungsabhängige Detektion, die zur Strukturaufklärung in einem selbstorganisierten Polymerfilm verwendet wurde. Für ein Dipetid werden polarisationsaufgelöste IR-Spektren berechnet, zur Unterstützung der Interpretation unserer gemessenen PiF-IR-Hyperspektren dieses Dipeptids.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Raw data for Joseph et al.15
Täuber, Daniela
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„hyPIRana“ homebuilt PiF-IR hyperspectral analysis software used for data analysis in Joseph et al.15
S. Unger, M. Ali, M. Soltaninezhad, R. Lachmann, R. Heintzmann & D. Täuber
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Imaging Aggregation of Histologically Stained F-Actin Ex Vivo Using the Contrast in Förster Resonance Energy Transfer Obtained from 2D Polarization Fluorescence Imaging (2D-POLIM). In European Light Microscopy Initiative 2021; Royal Microscopical Society, 2021
D. Täuber, J. Shi, P. Babic, K.-J. Benecke, M. Bauer, R. Heintzmann, I. G. Scheblykin & A. T. Press
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Intrinsic polarization-sensitive organic photodetector with self-assembled all-polymer heterojunction. Applied Physics Letters, 121(23).
Luo, Xuhao; Xue, Yingying; Wu, Juntao; Cai, Wanzhu; Täuber, Daniela; Malovicho, Ivan; Sava, Bogdan; Cen, Guobiao; Lu, Xing; Zhao, Chuanxi; Scheblykin, Ivan G.; Yu, Jianhui; Mai, Wenjie; Liu, Feng; Wang, Ergang & Hou, Lintao
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Topological Artifacts in Mid-IR Photo-Induced Force Microscopy (PiF-IR); Regensburg, 2022
S. Barua, H. Gadher, U. Hübner & D. Täuber
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Fast Excitation Modulation via Liquid Crystal Polarization Rotator in 2D Polarization Fluorescence Imaging (2D POLIM) and Compensation of Depolarization Caused by Dichroic Mirrors; Klosters, Switzerland, 2023
Y. Wang, A. Hafeez, M. Soltaninezhad, R. Heintzmann & D. Täuber
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High resolution chemical imaging of surfaces using infrared spectroscopic photo-induced force microscopy (PiF- IR) and its requirements for data analysis., WG1 workshop, E-Cost Action Ca21111 OneHealthdrugs, Oct. 2023 online
M. Ali, R. Schneider, S. Unger, U. Neugebauer, R. Heintzmann & D. Täuber
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Nanochemische Bildgebung in der Infektionsforschung, Science Slam, Set up : Jena | Gründungs- und Innovationstag 26.11.23, Nucleus Jena
Täuber, Daniela
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F-Actin Fluorescence Staining Evaluated Using 2D Polarization Fluorescence Imaging (2DPOLIM), Structured Illumination Microscopy (SIM) and Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM); Klosters, Switzerland, 2024
S. Cheng, S. Gjeci, A. Rusevski, P. Then, E. Sunil, S. Adak, H.-D. Arndt, R. Heintzmann, A. T. Press & D. Täuber
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Nanoscale chemical characterization of secondary protein structure of F-Actin using mid-infrared photoinduced force microscopy (PiF-IR). Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 306, 123612.
Joseph, Jesvin; Spantzel, Lukas; Ali, Maryam; Moonnukandathil, Joseph Dijo; Unger, Sebastian; Reglinski, Katharina; Krafft, Christoph; Müller, Anne-Dorothea; Eggeling, Christian; Heintzmann, Rainer; Börsch, Michael; Press, Adrian T. & Täuber, Daniela
